摘要
海底沉积物是水下声场的重要边界，其声学性质引起了人们的广泛关注。海底沉积物的剪切波速度是海底工程地质评价的重要指标，在海底声学研究、海洋工程建设及海底资源勘探等领域均具有重要的应用价值。南海北部海域是我国海洋资源开发和海洋国防建设的重要区域，该区域覆有多种类型的海底沉积物，沉积物物质来源复杂，是海底声学和海洋工程地质的重点研究对象。目前，学者们对该区域沉积物纵波速度的性质开展了研究，然而剪切波速性质的研究较少。因此，本文围绕该区域沉积物的剪切波速特性，开展了如下研究： 开展了沉积物剪切波速和物理力学性质测试，利用GDS弯曲元测试系统采集了不同类型沉积物的剪切波信号，通过对剪切波信号进行频谱分析获得了信号特征主频，进而确定了不同类型沉积物剪切波的测试频域。利用互相关分析法确定了剪切波传播时间，以精确计算剪切波速度。通过土工实验测得了沉积物的湿密度、孔隙度、含水率、平均粒径等物理性质参数。 开展了沉积物剪切波速的区域分布特征研究，对比分析了南海北部海域陆架区和陆坡区等不同地貌单元沉积物剪切波速的差异，并研究了沉积物剪切波速垂向变化规律，讨论了影响剪切波速空间分布规律的因素，针对不同的地貌单元建立了沉积物剪切波速结构模型。 开展了剪切波速与物理性质的相关性研究，构建了不同频率的剪切波速与湿密度、孔隙度、含水率、平均粒径等物性参数的单参数回归经验公式，分析了沉积物物理性质对剪切波速的影响机理。本文建立的剪切波速-物理性质回归经验公式与其他海域的回归经验公式存在差异，这与沉积物类型、沉积环境、沉积物物理性质的区域特征有关。构建了剪切波速-孔隙度-平均粒径的双参数经验公式，并开展了剪切波速对孔隙度和平均粒径的敏感性分析。 开展了沉积物剪切波速的频散特性研究，分析了粉砂质粘土、粘土质粉砂、砂质粉砂、粘土质砂和粉砂质砂5种类型沉积物的剪切波速的频散特性。将理论模型预测值与实测值拟合，为不同类型的沉积物选取了合理的模型输入参数,并讨论理论模型对不同类型沉积物的剪切波速频散特性的适用性。 开展了基于沉积物剪切波速的孔隙度反演算法研究，基于建立的剪切波速-孔隙度回归方程，推导得出了孔隙度反演公式并对沉积物孔隙度进行反演计算。提出了剪切波速实测值与G-S模型和热浴模拟退火算法相结合反演沉积物孔隙度的反演模式，提高了反演精度。 本文通过开展南海北部海域海底沉积物的剪切波速特性研究，主要取得了以下认识： （1）南海北部不同地貌单元沉积物剪切波速的分布规律具有区域差异性，这与沉积环境、沉积物类型及沉积物物理性质有关；剪切波速的垂向分布规律较为复杂，压实和固结作用是沉积物剪切波速度的垂向分布规律的主控因素。 （2）沉积物剪切波速与不同沉积物物理性质的相关关系具有差异性：剪切波速与孔隙度相关程度最高，与平均粒径相关程度最低。由于沉积物类型、沉积环境、沉积物物理性质、测试方法等因素的影响，本文建立的剪切波速-物理性质回归经验公式与其他海域的回归经验公式存在差异。此外，较之剪切波速-物理性质单参数回归经验公式，剪切波速-孔隙度-平均粒径双参数回归经验公式具有更高的剪切波速预报精度。参数敏感性分析结果表明，在剪切波速-孔隙度-平均粒径双参数回归经验公式中，剪切波速对孔隙度更为敏感。 （3）不同类型沉积物的剪切波速频散特性存在差异，其中黏土质砂沉积物剪切波速的频散特性最为显著，粉砂质黏土沉积物剪切波速的频散特性最弱。通过理论模型1kHz预测值与剪切波速实测数据拟合来确定模型输入参数，进而应用于其他频率剪切波速的预测，是合理选取理论模型的输入参数的有效方法。理论模型与数据对比显示，G-S模型更能准确描述南海北部海域不同类型沉积物剪切波速的频散特性，BICSQS模型适用于低频剪切波速的频散特性，Biot-Stoll模型仅能匹配粉砂质粘土和粘土质粉砂沉积物低频剪切波速度的频散特性。 （4）本文构建了基于回归经验公式和基于G-S模型和热浴模拟退火算法反演沉积物孔隙度的方法，结果表明基于G-S模型和热浴模拟退火法相结合反演沉积物孔隙度的方法具有更高的反演精度。
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